施紅，陳政，馮蕾，徐滎

（河南省電力勘測設計院，鄭州450000）

鄭州換流站接地網(wǎng)優(yōu)化設計

施紅，陳政，馮蕾，徐滎

（河南省電力勘測設計院，鄭州450000）

特高壓直流換流站占地面積較大，站內存在較大的地電位差，交直流設備的相互影響使得換流站接地網(wǎng)設計存在許多特殊之處。為此，針對常規(guī)的設計方法在高土壤電阻率地區(qū)接地電阻很難滿足規(guī)程要求的問題，根據(jù)設備安全與人身安全的要求，分析了接地網(wǎng)設計的約束條件，提高了地電位升上限。并結合哈密-鄭州直流特高壓輸電工程鄭州換流站的具體條件，對接地網(wǎng)系統(tǒng)的短路電流分流系數(shù)進行了詳細分析，提出了基于不等間距設計的復合接地網(wǎng)優(yōu)化布置方案，并通過地網(wǎng)安全分析評估軟件，進行了安全性校驗，具有重要的工程參考價值。

直流輸電；接地電阻；接地網(wǎng)設計；安全校核

接地網(wǎng)是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員安全的重要措施，其最重要的功能就是將故障電流安全地引入地下，限制故障電位上升，控制地表電位梯度以限制跨步電勢和接觸電勢在安全值內[1-5]。接地網(wǎng)接地性能一直受到設計和生產運行部門的重視。隨著我國經濟的持續(xù)、高速發(fā)展，變電容量的不斷增加，流經變電站地網(wǎng)的入地短路電流也愈來愈大，為了保證電力系統(tǒng)安全可靠運行，要求接地電阻值愈來愈小。然而由于我國可利用耕地資源十分寶貴，目前有許多變電站建在巖土、山石較多的地區(qū)，土壤電阻率相對較高。特別對于一些地質條件惡劣、地下水源匱乏的地區(qū)，其矛盾更為突出[6-8]。與此同時，我國普遍采用的計算方法越來越不能滿足設計要求[9-11]。接地網(wǎng)設計較簡單，接地系統(tǒng)設計還處于經驗設計階段，通常利用簡單公式及均勻網(wǎng)格的方法，對于發(fā)變電站地網(wǎng)降阻也沒有較好的方法。常用的擴大地網(wǎng)面積、采用降阻劑或單純增加垂直接地極的方法，降阻效果并不明顯[12-14]。并且接地系統(tǒng)的設計、施工、驗收的過程中均以接地電阻為主要內容，而對站址地表的電位分布、接觸電壓、跨步電壓只是簡單校核。因此加強對變電站接地系統(tǒng)設計技術研究，在滿足變電站跨步電勢和接觸電勢在安全值內的情況下，降低接地系統(tǒng)投資，是十分迫切和必要的。

1 換流站接地網(wǎng)的特殊性及應對措施

哈密-鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程計劃2014年建成投產，輸電規(guī)模為8 000 MW。該工程建后，每年可向華中地區(qū)輸送電量約480×108kW·h，可有效緩解華中地區(qū)負荷快速增長和資源總量不足、煤炭供應緊張之間的矛盾。由于直流換流站占地面積較大，直流與交流設備的差異，鄭州換流站接地網(wǎng)的設計存在許多特殊之處。

1.1 鄭州換流站土壤結構模型

國內接地網(wǎng)設計參照行業(yè)標準DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》中用于接地電阻、接觸電勢和跨步電壓計算的解析式，沒有考慮土壤的不均勻性。大型變電站或換流站占地面積很大，故障時故障電流入地較深，深層土壤對接地網(wǎng)接地電阻影響較大，將土壤視為均勻的，可能造成較大的計算誤差[15-16]。

鄭州換流站站址位于黃淮海平原的黃河南岸，行政區(qū)劃屬鄭州市中牟縣大孟鄉(xiāng)，場地內地基土主要由粉土、粉質黏土及沙層組成。研究精確度高的土壤分層理論和方法是接地系統(tǒng)電氣參數(shù)計算及優(yōu)化設計的基礎，為了獲得精確的鄭州換流站土壤結構模型，本文采用四極電測深法，對換流站29個測點進行了勘測，通過對土壤勘測數(shù)據(jù)進行分析，該測區(qū)地層在探測深度范圍內，呈現(xiàn)3層電性曲線特征，可以近似使用表1的數(shù)據(jù)對土壤結構進行模擬。

表1 站址土壤分層電阻率Tab.1Soil layered resistivity

1.2 鄭州換流站接地網(wǎng)電位差問題

換流站占地面積大，屬于大型接地網(wǎng)。大型接地網(wǎng)存在較大的網(wǎng)內電位差，其值隨地網(wǎng)面積的加大，接地導體半徑的減小和均壓導體根數(shù)的減少而增加。短路電流入地點越偏離地網(wǎng)中心，網(wǎng)內電位差就越大。大型接地網(wǎng)面積大，設備眾多，故障時電位不均情況嚴重，因此，大型接地網(wǎng)設計不宜再采用等電位模型進行分析。

換流站接地電位升直接與二次系統(tǒng)的安全性相關。目前我國電力行業(yè)標準DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》中要求地電位升IR＜2 000 V。這是由于過去二次設備的絕緣耐壓低，從確保二次系統(tǒng)的安全出發(fā)進行規(guī)定的。經過對換流站內不同短路點位置進行計算，站內兩點之間的最大電位差一般不超過地網(wǎng)電位升的40%，從保守的角度出發(fā)，認為二次電纜及二次設備的絕緣耐壓只有2 000 V，也可以將地電位升放寬到2 000/ 40%=5 000 V。

在接地網(wǎng)設計時，在電纜溝中與二次電纜平行布置一條銅接地帶，銅接地帶與地網(wǎng)連接，二次電纜與銅接地帶可靠連接，這樣短路故障時，由于銅接地帶的阻抗比二次電纜屏蔽層的阻抗小得多，因此故障電流主要從銅接地帶中流過，而流過二次電纜的屏蔽層的電流較小，可以克服雙端接地時可能燒毀二次電纜的問題。同時，為防止轉移電位引起的危害，對可能將接地網(wǎng)的高電位引向站外或將低電位引向站內的設施采取隔離措施。

2 入地短路電流計算

最大入地故障電流的計算是變電站接地系統(tǒng)設計的基礎，當電網(wǎng)中發(fā)生接地短路故障時，并不是全部短路電流都經接地網(wǎng)入地，而僅僅是一部分，另一部分短路電流經與變電站接地網(wǎng)連接的架空線路的避雷線和桿塔接地裝置為回路流通。入地故障電流僅指流經變電站接地網(wǎng)的那部分短路電流。從安全角度考慮，架空避雷線分流越多越好，在接地網(wǎng)電阻為定值時，入地故障電流減小，則地電位升高減小，接觸電位差和跨步電位差也減小。由此可見，接地網(wǎng)的分流系數(shù)越小越好。

接地網(wǎng)分流系數(shù)與電纜進線模式、進出線回路數(shù)、桿塔的接地電阻、架空地線參數(shù)、變電站接地電阻等因素有關。分流系數(shù)數(shù)值計算基于相參數(shù)模型的廣義雙側消去法，計算線路故障電流分布采用等值電壓源模型，如圖1所示。

圖1 分流系數(shù)計算模型Fig.1Shunt coefficient calculation model

圖中：Vs為變電站母線電壓；Zs為從母線看系統(tǒng)的等值阻抗；Rg為變電站接地網(wǎng)接地電阻；Rt為桿塔的接地裝置接地電阻；Zg、Zp分別為地線和相線自阻抗；Zm為相線和地線間的互阻抗；IG為變電站接地網(wǎng)電流；IF為接地線電流。本文根據(jù)鄭州換流站實際情況，其交流側分流系數(shù)取0.6，直流側分流系數(shù)取0.7。換流站交流側入地電流計算式為

式中：If為短路電流；Sf為分流系數(shù)；Cp為考慮到系統(tǒng)將來發(fā)展的規(guī)劃系數(shù)，本文取1；Df為衰減系數(shù)，取決于系統(tǒng)次暫態(tài)故障阻抗的X/R之比，通過對典型衰減系數(shù)的研究，本文取1.2。通過計算換流站交流側母線接地短路電流的最大值為51 kA，則交流側最大入地短路電流值為30.6 kA。

根據(jù)工程經驗，位于晶閘管閥橋與平波電抗器之間的直流極母線發(fā)生接地短路時，直流側的短路電流最大，其值計算式為

式中：Icrest為直流側短路電流；IdN為標稱直流電流；Id為連續(xù)過負荷電流；dx為直流側感性壓降；Udioabsmax為絕對最大空載電壓；UdioN為標稱理想空載電壓。經計算，直流側最大短路電流值為30.9 kA，考慮分流系數(shù)及衰減系數(shù)，直流側最大入地短路電流值為29.66 kA。

3 換流站接地網(wǎng)優(yōu)化設計

3.1 接地材料選擇

目前國內的接地材料主要為銅接地體和熱鍍鋅鋼以及正在逐步推廣使用的鍍銅鋼接地體。3種接地材料的技術性能比較如表2所示。

表2 技術性能比較Tab.2Technical performance comparison

通過技術性能比較可以看出，鍍銅鋼接地體兼具了鋼接地體和銅接地體的優(yōu)點，具有良好的

式中：Sg為接地引下線最小截面；Ig為流過接地引下線的短路電流穩(wěn)定值；te為短路電流的等效持續(xù)時間；C為接地引下線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)。

經計算，接地極截面Sg≥182.5 mm2。由于銅接地材料無需考慮腐蝕影響，接地裝置接地極截面不宜小于連接至該接地裝置接地線截面的75%，即選用銅接地材料時，接地網(wǎng)的水平接地極截面不宜小于136.9 mm2。

3.2 接地網(wǎng)優(yōu)化設計

常用的地網(wǎng)形式可分為方格地網(wǎng)和長格地網(wǎng)。方格地網(wǎng)的設計簡單，但邊緣部分的電場強度比中心部分高，電位梯度較大，整個地網(wǎng)的電位分布不均勻，接地體材料用量多，經濟性差。長格地網(wǎng)泄流效果稍差，但接地材料用量少。長格地網(wǎng)通常在泄流效果差的部分補充采用方格地網(wǎng)。接地系統(tǒng)的優(yōu)化設計就是在已有接地系統(tǒng)范圍的情況下，通過調整水平接地網(wǎng)的接地導體布置確保接地系統(tǒng)達到最大安全。

不等間距地網(wǎng)布置能使入地故障電流密度分布均勻，降低接地電阻，達到降低接觸電勢與跨步電勢的目的，同時可提高電氣設備的安全性。按指數(shù)規(guī)律布置地網(wǎng)導體，距離中心網(wǎng)孔為n級的網(wǎng)孔間距為

式中：C為壓縮比；dmax為中間網(wǎng)孔的邊長。

按指數(shù)規(guī)律布置接地網(wǎng)示意如圖2所示。

本文結合方格地網(wǎng)與不等間距地網(wǎng)的優(yōu)點，采用復合接地網(wǎng)方式，以水平接地體為主，垂直接地體為輔。中間部分等間距布置，接地網(wǎng)邊沿按不等間距布置水平接地網(wǎng)，并結合2.5 m垂直接地體設計，邊沿網(wǎng)格按最優(yōu)壓縮比0.7設計接地體間距，中間網(wǎng)格按16 m布置，接地網(wǎng)優(yōu)化圖如圖3所示。發(fā)展前景。但受國內電鍍技術的限制，目前國內生產的鍍銅鋼接地體無法保證完全滿足國際UL467標準。標準的鍍銅鋼接地體仍然需要采用進口產品，造成鍍銅鋼接地體的產品價格偏高。雖然銅材資金投入量略高于鋼材料，但其在導電性能、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕能力等方面都具有明顯優(yōu)勢，綜合考慮到特高壓直流換流站的特殊性，設計接地材料考慮采用銅材作為主要材料。

依據(jù)《交流電氣裝置的接地》規(guī)定：接地體熱穩(wěn)定校核中未考慮腐蝕時，變電所接地引下線的最小截面應滿足

圖2 接地網(wǎng)示意Fig.2Grounding grid diagram

圖3 接地網(wǎng)優(yōu)化圖Fig.3Optimization of grounding grid

4 接地網(wǎng)安全校核

為了驗證接地網(wǎng)的安全性，本文利用清華大學開發(fā)的地網(wǎng)安全分析評估軟件，建立了優(yōu)化后的地網(wǎng)模型，如圖4所示。圖4～圖8中的3D圖形的x、y、z坐標分別代表接地網(wǎng)模型的長、寬、高，單位為m。

圖4 三維接地網(wǎng)模型Fig.43D grounding grid model

計算得接地網(wǎng)的接地電阻為0.160Ω，跨步電壓和接觸電壓的允許值分別為385.60V和310.23V。

為了保證接地網(wǎng)在最苛刻的短路條件下仍能保障電氣設備及運行人員的安全，考慮最嚴重的情況，交流側及直流側短路電流注入點均在接地網(wǎng)邊角位置，分別選擇A和B兩個短路電流注入點進行模擬計算。注入點A位于500 kV GIS設備區(qū)的邊角位置；注入點B位于直流場接地網(wǎng)邊角位置。具體位置如圖5所示。

圖5 接地網(wǎng)短路電流注入點Fig.5Grounding short-circuit current injection point

通過接地軟件模擬計算得注入點A最大地電位為4860V，滿足換流站地電位升不得大于5000V的要求，各點的地電位分布如圖6所示。

圖6 注入點地表電位圖Fig.6Injection point surface potential maps

短路電流在A點注入時，各點跨步電壓如圖7所示。通過軟件計算，最大跨步電壓值為82.2 V，小于最大跨步電壓允許值。

圖7 注入點跨步電壓Fig.7Injection point step voltage graph

短路電流在A點注入時，各點的接觸電壓分布如圖8所示。

經計算換流站最大接觸電壓值為1080V，最大接觸電壓值超出允許值，因此需要在操作機構四周鋪設碎石、礫石或卵石地面，用以提高地表面電阻率，其厚度不應小于20 cm，電阻率約為5 000 Ω·m。此時接觸電壓允許值提高為1 431 V，最大接觸電壓滿足允許值要求，按同樣方法對注入點B進行計算，本文設計的接地網(wǎng)模型也滿足安全校核。

圖8 注入點接觸電壓Fig.8Injection point contact voltage graph

5 結語

本文針對特高壓直流輸電工程換流站接地網(wǎng)設計這一具體問題，提出一種基于不等間距設計的復合接地網(wǎng)優(yōu)化布置方案。該方案易于實現(xiàn)，滿足接觸電壓與跨步電壓的安全校驗要求，有效解決了大型接地網(wǎng)存在較大的網(wǎng)內電位差以及高土壤電阻率地區(qū)接地電阻很難滿足規(guī)程要求的問題，具有重要的工程參考價值。

[1]付龍海，吳廣寧，王顥，等（Fu Longhai，Wu Guangning，Wang Hao，et al）.青藏鐵路變電站接地網(wǎng)設計規(guī)則的提?。ˋutomatically produce fuzzy rules in Qinghai-Tibet railway grounding grid design）[J]．電工技術學報（Transactions of China Electrotechnical Society），2006，21（4）：11-15．

[2]楊曉雄，彭敏放，苗文華，等（Yang Xiaoxiong，Peng Minfang，Miao Wenhua，et al）．發(fā)變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設計（Optimal design of grounding grid for substations）[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（4）：45-48，70.

[3]王洪澤（Wang Hongze）.復合接地網(wǎng)接地電阻的簡化計算（A simplified calculation method for grounding resistance of compound grounding network）[J].電網(wǎng)技術（Power System Technology），2001，25（8）：70-72．

[4]何智強，文習山，張科，等（He Zhiqiang，Wen Xishan，Zhang Ke，et al）.基于遺傳算法的變電站接地網(wǎng)優(yōu)化（Optimization of substation grounding grid design based on genetic algorithm）[J]．電力自動化設備（Electric Power Automation Equipment），2008，28（6）：27-31．

[5]Neri F．A new evolutionary method for designing grounding grids by touch voltage control[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics.Ajaccio，F(xiàn)rance：2004．

[6]莊池杰，曾嶸，張波，等（Zhuang Chijie，Zeng Rong，Zhang Bo，et al）．高土壤電阻率地區(qū)變電站接地網(wǎng)設計思路（Grounding system design method in high soil resistivity regions）[J]．高電壓技術（High Voltage Engineering），2008，34（5）：893-897．

[7]閆群民，王宏濤，朱娟娟（Yan Qunmin，Wang Hongtao，Zhu Juanjuan）．銀川東750 kV變電站接地網(wǎng)施工分析及探討（Analysis and discussion on grounding grids engineering of 750 kV Yinchuandong substation）[J]．電力系統(tǒng)保護與控制（Power System Protection and Control），2009，37（11）：116-118．

[8]田慶，原敏紅，王志平（Tian Qing，Yuan Minhong，Wang Zhiping）.葛南直流線路高阻接地故障保護分析（Analysis of Ge-Nan HVDC line protection against high-impedance ground fault）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2008，20（6）：60-63．

[9]劉春，何俊佳，尹小根，等（Liu Chun，He Junjia，Yin Xiaogen，et al）.復合接地網(wǎng)接地電阻的計算機仿真（Simulation on resistance to ground of combined grids）[J]．中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2003，23（6）：159-163．

[10]湛志成，郭化冰，苗智峰（Zhan Zhicheng，Guo Huabing，Miao Zhifeng）．因接地不良引起的二次設備燒毀事故（A burnout accident of secondary devices caused by bad grounding）[J]．電力系統(tǒng)保護與控制（Power System Protection and Control），2010，38（12）：145-148．

[11]陳先祿，趙愛華，劉渝根，等（Chen Xianlu，Zhao Aihua，Liu Yugen，et al）．一種新型接地裝置的開發(fā)及應用（Development and application of a new type of grounding device）[J]．電網(wǎng)技術（Power System Technology），2004，28（14）：86-89．

[12]高延慶，何金良，曾嶸，等（Gao Yanqing，He Jinliang，Zeng Rong，et al）．非均勻土壤中變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設計（Optimal design of grounding grids of substation in nonuniform soils）[J]．清華大學學報：自然科學版（Journal of Tsinghua University：Science&Technology），2002，42（3）：345-348．

[13]李景祿，楊廷方，周羽生（Li Jinglu，Yang Tingfang，Zhou Yusheng）．接地降阻應用及存在的問題分析（Analysis of the application and problems of resistance reducing material）[J]．高電壓技術（High Voltage Engineering），2004，30（3）：65-66，68.

[14]王彪，王渝紅，丁理杰，等（Wang Biao，Wang Yuhong，Ding Lijie，et al）．高壓直流輸電接地電極及相關問題綜述（Summary of HVDC grounding electrode and related issues）[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（1）：66-72．

[15]李越，王豐華，金之儉，等（Li Yue，Wang Fenghua，Jin Zhijian，et al）．基于粒子群和人工免疫融合算法的接地網(wǎng)優(yōu)化設計（Optimization design of grounding system based on the particle swarm and artificial immune algorithm）[J]．電力系統(tǒng)保護與控制（Power System Protection and Control），2011，39（15）：120-126．

[16]曾令通（Zeng Lingtong）．非均勻土壤下接地網(wǎng)電阻計算與設計研究（Study of Resistance Calculation and Design of Grounding Grid on Nonuniform Soil）[D]．南寧：廣西大學電氣工程學院（Nanning：College of Electrical Engineering，Guangxi University），2008．

Optimal Design of Grounding Grid of Zhengzhou Converter Station

SHI Hong，CHEN Zheng，F(xiàn)ENG Lei，XU Xing
（Henan Electric Power Survey&Design Institute，Zhengzhou 450000，China）

UHV DC converter station covers a large area，and potential difference in the station is great.Moreover，AC/DC interaction makes grounding grid design of the converter station have specialness.In view of the problem that the conventional design methods are difficult to meet the requirement of specification in high soil resistivity area grounding resistance，and according to equipment safety and personal safety requirement，this paper analyzes the grounding grid design constraint condition and improves the ground potential rise limit.In addition，this paper combines with the specific conditions of Zhengzhou converter in the Hami-Zhengzhou UHV DC transmission project，carries out a detailed analysis of the grounding grid system short-circuit current shunt coefficient，and proposes a layout optimization scheme based on unequal spacing of the composite ground network.Through the ground network security analysis and evaluation software，security checks are carried out and the design is verified to have important engineering reference value.

DC power transmission；grounding resistance；ground grid design；security checking

TM72

A

1003-8930（2014）12-0085-06

施紅（1986—），女，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)輸變電技術、發(fā)變電設計。Email：lindashihong@126.com

2012-12-03；

2013-01-07

陳政（1980—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)輸變電技術、發(fā)變電設計。Email：losuwing@126.com

馮蕾（1978—），女，本科，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)輸變電技術、發(fā)變電設計。Email：fenglei-heny@powerchain.cn